Nowy spektrometr obrazujący NASA, AVIRIS-5, rozpoczął loty operacyjne nad zachodnią częścią Stanów Zjednoczonych, aby pomóc geologom precyzyjnie mapować skały zawierające lit i inne minerały krytyczne. Loty są prowadzone w ramach wieloletniej kampanii GEMx (Geological Earth Mapping Experiment) we współpracy z amerykańską Służbą Geologiczną (USGS). Jest to największe tego typu przedsięwzięcie spektroskopii lotniczej w USA, a ogłoszenie o rozpoczęciu pracy AVIRIS-5 nastąpiło 9 grudnia 2025 roku, dzień przed dzisiejszą datą (10 grudnia 2025 roku). Według oficjalnych danych nowa generacja instrumentu wykonała już w tym roku ponad 200 godzin lotu nad Kalifornią, Nevadą i innymi stanami amerykańskiego Zachodu, w ramach wysiłków na rzecz przyspieszenia poszukiwań i oceny zasobów ważnych dla transformacji energetycznej.

Instrument o małej masie, potężnej mocy

AVIRIS-5 (Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer-5) umieszczony jest w nosie samolotu NASA ER-2 i wymiarami jest porównywalny z kuchenką mikrofalową, jednak jego osiągi opierają się na tradycji spektrometrów kosmicznych JPL. W porównaniu do poprzedniej generacji oferuje dwukrotnie lepszą rozdzielczość przestrzenną, dzięki czemu na standardowych wysokościach lotu może rozróżniać szczegóły od mniej niż 30 centymetrów do około 10 metrów, w zależności od konfiguracji misji i celów obrazowania. Podstawowym produktem instrumentu nie są „zwykłe zdjęcia”, lecz tak zwane spektralne „kostki” – serie obrazów w setkach sąsiadujących ze sobą kanałów długości fal w zakresie widzialnym i krótkofalowej podczerwieni. W takich danych minerały, skały, roślinność i materiały antropogeniczne pozostawiają rozpoznawalne spektralne „odciski palców”, po których można je z dużą wiarygodnością odróżniać i mapować.

Od pryzmatu Newtona do „czarnego krzemu”

Technologia spektroskopii obrazującej stojąca za AVIRIS-5 wynika z wielowiekowego zrozumienia rozszczepiania światła, ale opiera się również na najnowszych materiałach i koncepcjach mikrooptycznych. Urządzenie wykorzystuje kombinację luster, matryc detektorów i precyzyjnie grawerowanych siatek (elektronicznie stosowanych), które kierują i rozszczepiają odbite promieniowanie słoneczne na jego składowe „kolory”. Krytyczną rolę odgrywają powierzchnie z tzw. czarnego krzemu – jednego z najciemniejszych sztucznych materiałów – którego mikronanoskopowy „las” iglastych struktur wyłapuje zabłąkane światło i zapobiega jego rozpraszaniu we wnętrzu instrumentu. Zmniejsza to szum i wewnętrzne odbicia oraz zwiększa dokładność pomiaru, co jest warunkiem wstępnym, aby w przetwarzaniu później wyraźnie rozróżnić bardzo subtelne cechy absorpcyjne, które wyodrębniają na przykład iły litowe od podobnych minerałów bez litu.

Latać powyżej 95% atmosfery

Operacyjną platformą dla AVIRIS-5 jest ER-2 – naukowa wersja słynnego U-2 – która regularnie osiąga wysokości lotu około 18–20 kilometrów, czyli w przybliżeniu 60 000 stóp. Na tych wysokościach ponad 95% powietrza znajduje się poniżej samolotu, co istotnie zmniejsza zakłócenia atmosferyczne i szum na zdjęciach oraz zapewnia szerokie pole widzenia. Bazą wyjściową jest Armstrong Flight Research Center NASA w Edwards (Kalifornia). W ciągu 2025 roku przeprowadzono seryjne przeloty nad pustynnymi i półpustynnymi krajobrazami Kalifornii, Nevady i sąsiednich stanów – terenami, które są idealne dla spektroskopii minerałów, ponieważ odsłonięta rzeźba terenu i brak gęstej roślinności pozwalają mineralnym „podpisom” dojść do głosu. Wspólny zespół NASA i USGS od 2023 roku do dziś zebrał dane z ponad 366 000 mil kwadratowych (około 950 000 km²), co stanowi unikalną bazę do dalszych analiz i terenowych potwierdzeń znalezisk.

GEMx i Earth MRI: wieloletnia synergia NASA i USGS

GEMx to projekt badawczy zaplanowany na okres czterech lat. Jest finansowany z inicjatywy USGS Earth Mapping Resources Initiative (Earth MRI), w którą wpompowano znaczne dodatkowe inwestycje dzięki federalnej ustawie Bipartisan Infrastructure Law. Earth MRI modernizuje mapowanie powierzchni i podziemia USA oraz łączy podejścia geologiczne, geochemiczne i geofizyczne, aby zbudować trójwymiarowy wgląd w budowę terenu. Spektroskopia obrazująca z powietrza jest w tej mozaice kluczową „szybką ścieżką”: umożliwia wielkoobszarowe zawężanie stref zainteresowania i określanie priorytetowych lokalizacji dla badań terenowych i wierceń. W ten sposób zmniejsza się koszty, przyspiesza podejmowanie decyzji i – co być może najważniejsze – z wyprzedzeniem ocenia potencjalne ryzyka środowiskowe związane z działalnością górniczą.

Wczesne wyniki: hektoryt w hałdach i „druga szansa” dla starych składowisk

Wśród najwcześniejszych wyróżnionych znalezisk pierwszych przelotów AVIRIS-5 w 2025 roku jest potwierdzenie obecności hektorytu – minerału ilastego zawierającego lit – na składowiskach opuszczonej kopalni w Kalifornii i w kilku innych lokalizacjach. Znaczenie takiego odkrycia jest dwojakie. Z jednej strony pokazuje, że stare składowiska górnicze, przez dziesięciolecia postrzegane jedynie jako problem środowiskowy, przy współczesnych technologiach przetwórstwa mogą stać się źródłem nowych zapasów surowców strategicznych. Z drugiej strony, te same dane pomagają identyfikować miejsca z potencjałem powstawania kwaśnego drenażu kopalnianego (kiedy odsłonięte skały i odpady chemicznie zmieniają się w kontakcie z powietrzem i wodą oraz uwalniają kwasy i metale), co umożliwia wcześniejsze planowanie środków zaradczych. Naukowiec NASA Dana Chadwick podkreśla, że ten sam typ danych, oprócz „polowania na minerały”, służy również zarządzaniu gruntami, analizie pokrywy śnieżnej ważnej dla zasobów wodnych oraz ocenie ryzyka pożarowego – więc minerały krytyczne są dopiero początkiem szerszego zastosowania AVIRIS-5.

Dlaczego minerały „krytyczne” i jak AVIRIS-5 może pomóc

USGS wymienia około 50 surowców mineralnych jako krytyczne, których przerwanie dostaw miałoby znaczny wpływ na gospodarkę i bezpieczeństwo narodowe. W praktyce chodzi o grupy takie jak pierwiastki ziem rzadkich, lit, kobalt i nikiel, fundamentalne dla baterii, turbin wiatrowych, silników elektrycznych, wysokowydajnej elektroniki i szeregu systemów wojskowych i kosmicznych. Szybka i obiektywna ocena potencjału geologicznego na dużych powierzchniach jest niezbędna również dla transparentnego zarządzania oczekiwaniami lokalnych społeczności i inwestorów. Spektroskopia obrazująca umożliwia identyfikację z powietrza, bez prac inwazyjnych, kontekstów geologicznych niosących większy potencjał – na przykład skał zmienionych hydrotermalnie, argilitów bogatych w iły, stref węglanowych ze śladami obciążenia metalami – po czym zespoły terenowe celowo przeprowadzają mapowania i pobieranie próbek. Zmniejsza to koszty i ryzyka, a zwiększa prawdopodobieństwo, że ograniczone zasoby zostaną skierowane na perspektywiczne cele.

Spektralne „odciski palców” i nauka bez zgadywania

AVIRIS-5 mierzy odbite promieniowanie słoneczne w szerokim zakresie długości fal od widzialnego do krótkofalowej podczerwieni. Każdy piksel powierzchni otrzymuje własne ciągłe widmo z ponad dwustoma kanałami, więc w przetwarzaniu można szukać nawet bardzo subtelnych linii absorpcyjnych. Ił litowy hektoryt, na przykład, wykazuje specyficzne cechy absorpcyjne w zakresie krótkofalowej podczerwieni, które różnią się od smektytów bez litu; węglany i siarczany mają oddzielne charakterystyczne pasma; tlenki żelaza tworzą rozpoznawalne zmiany w widzialnej i bliskiej podczerwieni części widma. Kiedy takie sygnały pojawiają się spójnie, na wielu sąsiednich pikselach i w różnych geometriach oświetlenia, prawdopodobieństwo, że jest to prawdziwy mineralny „podpis”, znacząco rośnie. Dlatego „kostki” danych AVIRIS są często łączone z mapami geologicznymi, historycznymi zapisami górniczymi i próbkami terenowymi, aby potwierdzić lub odrzucić hipotezy.

Dziedzictwo z innych światów

Spektrometry obrazujące JPL naznaczyły liczne misje planetarne. Na przykład instrument Moon Mineralogy Mapper w 2009 roku jako pierwszy wiarygodnie wykrył wodę na Księżycu, podczas gdy inne pokrewne instrumenty mapowały skorupę Marsa, odkrywały jeziora na Tytanie i śledziły chmury bogatego w minerały pyłu nad Saharą. Jeden nowy spektrometr jest już w drodze na Europę, oceaniczny księżyc Jowisza, aby szukać składników chemicznych możliwych do powiązania z warunkami wstępnymi dla życia. AVIRIS-5 stanowi więc najnowszy krok w szeregu czujników, które zostały sprawdzone w kosmosie, a teraz są dostosowane do bardzo precyzyjnej nauki z powietrza nad powierzchnią Ziemi.

Od „klasyka” do piątej generacji

Rodzina AVIRIS zaczęła latać w 1986 roku i przez dziesięciolecia była umieszczana na wielu platformach: od wysokim pułapie ER-2, przez samolot turbośmigłowy Twin Otter i eksperymentalny Proteus, po WB-57 NASA. „Klasyczny” AVIRIS i późniejszy AVIRIS-NG (Next Generation) sprawdziły się już w licznych misjach – od mapowania skutków pożarów i erupcji, po ocenę szkód po katastrofach, analizę jakości powietrza i nadzór upraw rolniczych. Piąta generacja idzie o krok dalej: dwukrotnie lepsza rozdzielczość przestrzenna, poprawiony stosunek sygnału do szumu i stabilność kalibracji skracają czas potrzebny na rozróżnienie docelowych grup minerałów, a jednocześnie otwierają przestrzeń dla dodatkowych tematów, takich jak ocena stanu roślinności czy śniegu chroniącego zasoby wodne obszarów górskich.

Otwartość danych i użytkownicy spoza społeczności naukowej

Jedną z największych wartości GEMx jest otwarty dostęp do skalibrowanych danych i produktów pochodnych. NASA publikuje zmierzone i przetworzone dane poprzez własne portale, podczas gdy USGS w ramach Earth MRI regularnie publikuje mapy tematyczne, raporty i komunikaty. Dzięki temu przemysł, władze lokalne, prywatni badacze i uniwersytety uzyskują dostęp do standaryzowanych produktów – mozaik reflektancji, map mineralnych i raportów o jakości – które mogą włączyć do swoich systemów GIS i planów badawczych. Taki model zapewnia przejrzystość, powtarzalność i weryfikowalność ustaleń, a ponieważ są one finansowane ze środków publicznych, wyniki przyczyniają się również do dobra ogólnego – od ochrony środowiska po kształcenie przyszłych ekspertów.

Ekologia i kontekst społeczny

Poszukiwanie minerałów nie może być wyłączone z ram środowiskowych i społecznych. Właśnie dlatego GEMx jednocześnie poszukuje potencjalnych złóż i rejestruje wskaźniki ryzyka środowiskowego, takie jak rozprzestrzenianie się kwaśnego drenażu, suchość roślinności zwiększająca zagrożenie pożarowe czy zmiany w pokrywie śnieżnej ważnej dla zasobów wodnych. To samo narzędzie, które pomaga identyfikować zasoby, może, przy odpowiedzialnej interpretacji, pomóc również w ich zrównoważonej eksploatacji. Dla społeczności żyjących w pobliżu starych kopalń oznacza to wcześniejsze ostrzeżenie o możliwych problemach, jaśniejsze informacje w procedurach oceny oddziaływania na środowisko i lepszej jakości negocjacje w sprawie rekultywacji lub rewitalizacji przestrzeni.

Co dalej w 2026 roku

W miarę jak GEMx wchodzi w kolejną fazę, oczekuje się dalszej integracji danych lotniczych z mapami geologicznymi, geofizyką i pobieraniem próbek w terenie, a także coraz szerszego wykorzystania zautomatyzowanych algorytmów do wykrywania sygnatur spektralnych. Skupienie lotów pozostaje na suchych obszarach amerykańskiego Zachodu, gdzie odsłonięta rzeźba terenu umożliwia najlepszą czytelność spektralną. W perspektywie te same procedury mogą być zastosowane również do innych tematów, takich jak nadzór degradacji gleby czy wykrywanie zanieczyszczeń, jednak kręgosłup pozostaje misyjny: przyspieszyć, ułatwić i uczynić bardziej przejrzystym poszukiwanie surowców mineralnych kluczowych dla transformacji energetycznej, przy najmniejszym możliwym śladzie środowiskowym.